JP6873382B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、車載モータの駆動制御に好適な半導体装置に関する。

ハイブリッド車や電気自動車などの車両には、複数のモータ及びこれらのモータを制御するインバータ等が設けられている。
これらのうち、特にインバータを構成するパワーモジュールは、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）などの電力用半導体素子を有して構成されていることが多く、スイッチング動作により半導体素子が発熱する。したがって、この熱を除去して半導体の過熱を防止するために、冷却器が取付けられている。冷却器とパワーモジュールとの組み合わせ構造は、例えば特許文献１に開示されている。

特許文献１の図２に示されるように、冷却器本体（１００）（括弧付き数字は、特許文献１に記載された符号を示す。以下同様）は、下部筐体（１４０）と、この下部筐体（１４０）の開口を塞ぐ上部筐体（１３０）とで構成される。そして、上部筐体（１３０）に第一素子搭載領域（１０１）と第二素子搭載領域（１０２）が割り当てられ、第一素子搭載領域（１０１）と第二素子搭載領域（１０２）との間の中間領域（１０３）にバスバー（１３３）が配置されている。

特許文献１の図１に示されるように、バスバー（１１３）が背骨のように、第一素子搭載領域（１０１）のパワーモジュールと第二素子搭載領域（１０２）のパワーモジュールの間を横切る構造であるため、バスバー（１１３）が長くなる。バスバー（１１３）が長くなると、寄生インダクタンスが大きく、サージ電圧が大きくなり、結果として損失が増加し、冷却器本体（１００）を大きくするため、半導体装置が大型化してしまう。

また、特許文献１には開示されていないが、この種の半導体装置では、電圧の変動を抑制する平滑コンデンサを備えることが望まれる。
特許文献１の図２において、冷却器本体（１００）の下部筐体（１４０）の近傍（上部筐体（１３０）と反対側の面）に空きがある。
そこで、従来、平滑コンデンサは、冷却器本体（１００）のバスバー（１３３）と反対側に、配置される。すると、平滑コンデンサからパワーモジュールへ延びるバスバーは、冷却器本体（１００）を迂回することとなり、バスバーは一層長くなり、サージ電圧が大きくなる。

加えて、バスバー同士を接続する部位等を、ボルト・ナットからなる締結構造にすると、この締結構造がスペースを占めるため、半導体装置の大型化を招く。

半導体装置の小型化が求められる中、ボルト・ナットからなる締結構造を省くことができ、且つサージ電圧が小さくなるような半導体装置が望まれる。

特開２０１２−２３０９６０号公報

本発明は、ボルト・ナットからなる締結構造を省くことができ、且つサージ電圧が小さくなるような半導体装置を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、パワーモジュールと、このパワーモジュールの下方に配置され前記パワーモジュールを冷却する冷却器と、この冷却器の下方に配置される平滑コンデンサとを備えた半導体装置において、
前記冷却器は、隣り合う前記パワーモジュール間に位置する部位に貫通穴を有し、
前記平滑コンデンサは、前記貫通穴を通って前記パワーモジュールに到るバスバーを有し、
前記パワーモジュールは、前記バスバーへ向かって延びるモジュール側端子、及びこのモジュール側端子と前記バスバーとの間に介在される端子中継部材を有しており、
前記バスバーは前記モジュール側端子に対面するように配置され、
前記端子中継部材と前記モジュール側端子と前記バスバーとが、超音波振動により接合されていることを特徴とする。

請求項２に係る発明では、パワーモジュールは、樹脂製のモジュールケースに収容され、端子中継部材は、モジュールケースから露出するように一体成形されていることを特徴とする。

請求項３に係る発明では、パワーモジュールは、モールディング樹脂によってモールドされ、端子中継部材は、モールディング樹脂から露出するように一体成形されていることを特徴とする。

請求項４に係る発明では、冷却器は、梯子形状となっていることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、パワーモジュールと平滑コンデンサとの間に介在する冷却器に貫通穴を設け、平滑コンデンサから延びるバスバーは、貫通穴を通した後に、パワーモジュールに到るようにした。
バスバーは、冷却器を迂回する必要がないため、十分に短くすることができる。加えて、複数個の平滑コンデンサから複数個のパワーモジュールに各々到る複数本のバスバーの長さを揃えることができる。
すなわち、平滑コンデンサとパワーモジュールとを接続する各バスバーが均等に分配され、かつ配線長を短くすることができるため、サージ電圧を抑えることができる。

加えて、請求項１に係る発明では、モジュール側端子とバスバーとの間に端子中継部材を介在させた。
端子中継部材によって、超音波などでモジュール側端子とバスバーを接続しやすくすることができる。ボルト・ナットで締結する場合に比較して、部品点数の削減が図れると共に、接続部位の小型化を図ることができ、半導体装置の小型化が達成できる。
よって、本発明によれば、ボルト・ナットからなる締結構造を省くことができ、且つサージ電圧が小さくなるような半導体装置が提供される。

請求項２係る発明では、パワーモジュールは、樹脂製のモジュールケースに収容され、端子中継部材は、モジュールケースから露出するように一体成形されているので、パワーモジュールの内部空間を犠牲にすることなく、端子中継部材を設置することができる。

請求項３に係る発明では、パワーモジュールは、モールディング樹脂によってモールドされ、端子中継部材は、モールディング樹脂から露出するように一体成形されているので、パワーモジュールの内部空間を犠牲にすることなく、端子中継部材を設置することができる。

請求項４に係る発明では、冷却器は、梯子形状となっているので、コンデンサとパワーモジュールを接続する各バスバーが均等に分配され、且つ梯子の踏み桟の間に形成される貫通穴からバスバーを通すことで配線長を短くすることができる。

本発明に係るパワーモジュールの斜視図である。 本発明に係る半導体装置の分解斜視図、要部拡大図及び斜視図である。 端子中継部材にモジュール側端子とバスバーを接合する要領を説明する図である。 変形例に係る端子中継部材にモジュール側端子とバスバーを接合する要領を説明する図である。

本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。

図１に示すように、半導体装置１０を構成するパワーモジュール２０は、冷却器３０に設けられている。パワーモジュール２０は、絶縁基板２１と、この絶縁基板２１に設けられる半導体素子２８及びダイオード２９と、絶縁基板２１、半導体素子２８及びダイオード２９に接続されるモジュール側端子としてのビームリード２２と、モータ側へ延びる出力バスバー２３と、複数本のゲートドライブ基板接続用信号ピン２５とを備えている。パワーモジュール２０は、構成要素がモジュールケース２６で囲われ、このモジュールケース２６にモールディング樹脂２７（図３参照）が充填されている。

図２（ａ）に示すように、本発明に係る半導体装置１０は、複数個（この例では６個）のパワーモジュール２０と、これらのパワーモジュール２０の下方に配置されパワーモジュール２０を冷却する冷却器３０と、この冷却器３０の下方に配置される平滑コンデンサ４０とを備えている。

平滑コンデンサ４０は、コンデンサケース４１に収められ、このコンデンサケース４１外へ上方へ延びるＰＮ（プラス・マイナス）バスバー４２を有している。ＰＮ（プラス・マイナス）バスバー４２は、以下、単にバスバー４２と記す。

冷却器３０は、隣り合うパワーモジュール２０、２０の間に位置する部位に、上下に貫通する筋状又は細長い矩形状の貫通穴３１を有する。すなわち、冷却器３０は梯子形状を呈している。梯子形状であるため、最も端のパワーモジュール２０に沿う部位に、貫通穴３２を有する。この例では、冷却器３０は、５個の貫通穴３１と１個の貫通穴３２とを有する。

図２（ｃ）の３−３線断面図である図３に示すように、パワーモジュール２０は、冷却器３０に設けられる絶縁基板２１と、この絶縁基板２１に設けられる半導体素子２８と、この半導体素子２８から延びるモジュール側端子としてのビームリード２２と、複数本のゲートドライブ基板接続用信号ピン２５とを備えている。絶縁基板２１は、詳細には、絶縁基板２１ａとこの絶縁基板２１ａの両面に一体的に設けられた金属層２１ｂとからなる。なお、絶縁基板２１や半導体素子２８等の部材は半田により接続されている。

加えて、パワーモジュール２０は、構成要素を囲うモジュールケース２６と、このモジュールケース２６に充填するモールディング樹脂２７（想像線で示す。）とを有する。
さらに、加えて、モジュールケース２６には、局部的に、端子中継部材５０が設けられている。モジュールケース２６は樹脂が一般的である。一方、端子中継部材５０は、金属ピースである。金属ピースは電気伝導性が良好であると共に剛性に富む。

図２（ａ）において、平滑コンデンサ４０に、冷却器３０を載せる。この際に、図２（ｂ）に示すバスバー４２が、冷却器３０に設けられている貫通穴３１又は３２を通るようにする。すると、図２（ｃ）において、バスバー４２は端子中継部材５０に接近する。
従来のバスバーは、冷却器を迂回していたため長くなった。対して、本発明のバスバー４２は、図から明らかなように、冷却器３０を貫通するため、十分に短い。図２（ａ）からも明らかなように、複数のバスバー４２は、形状及び長さが揃っている。

次に、図３に示すように、モジュール側端子としてのビームリード２２とバスバー４２との間に端子中継部材５０を介在させた状態で、ビームリード２２とバスバー４２に振動子５２、５２を置く。次に、これらの振動子５２、５２を狭める。すると、端子中継部材５０の一方の面にビームリード２２が接触し、他方の面にバスバー４２が接触する。この状態で、振動子５２、５２を超音波振動させる。この振動により接触部位が発熱し溶融する。この状態で、振動を停止すると、端子中継部材５０にビームリード２２とバスバー４２とが接合される。
この接合構造は、ボルト・ナットで締結する場合に比較して、スペース的に遙かに小さくなる。また、ボルトやナットが不要であるため、部品点数の削減が図れる。
なお、端子中継部材５０は、出力バスバー２３とビームリード２２との間に介在させても良い。

端子中継部材５０の利点を更に説明する。
図３にて、端子中継部材５０を省いて、ビームリード２２にバスバー４２を直接融接することを検討すると、ビームリード２２やバスバー４２は共に薄い金属板であって剛性が小さいため、超音波振動の際にビームリード２２が一緒に振動する心配がある。この振動によりパワーモジュール２０に実装した素子や回路に悪影響が及ぶ虞がある。この点、剛性に富む端子中継部材５０を設けると、端子中継部材５０が振動を防止するため、ビームリード２２やバスバー４２の振動を抑えることができる。

次に、本発明に係る変形例を、図４に基づいて説明する。
図４に示すように、絶縁基板２１のモジュール側端子（金属層）２２に平板状の端子中継部材５０を載せ半田（半田の一部はモジュール側端子とする。）などで接続する。その後、パワーモジュール全体をモールディング樹脂２７にてモールドする。
次に、端子中継部材５０にバスバー４２の先端を載せ、このバスバー４２に振動子５２を上から当てる。この振動子５２でバスバー４２を端子中継部材５０を融接する。

図４では、端子中継部材５０がモジュール側端子（銅層）２２で直接支持されてよりパワーモジュール全体がモールドされているため、モジュールケース２６を省くことができる。よって、端子中継部材５０は、パワーモジュール２０に含まれていればよく、パワーモジュール２０内であれば配置位置は任意である。

本発明は、ハイブリッド車や電気自動車などの車両に搭載される半導体装置に好適である。

１０…半導体装置、２０…パワーモジュール、２２…モジュール側端子（ビームリード・銅層）、２６…モジュールケース、２７…モールディング樹脂、３０…冷却器、３１、３２…貫通穴、４０…平滑コンデンサ、４２…バスバー（ＰＮバスバー）、５０…端子中継部材。

Claims (4)

1. パワーモジュールと、このパワーモジュールの下方に配置され前記パワーモジュールを冷却する冷却器と、この冷却器の下方に配置される平滑コンデンサとを備えた半導体装置において、
   前記冷却器は、隣り合う前記パワーモジュール間に位置する部位に貫通穴を有し、
   前記平滑コンデンサは、前記貫通穴を通って前記パワーモジュールに到るバスバーを有し、
   前記パワーモジュールは、前記バスバーへ向かって延びるモジュール側端子、及びこのモジュール側端子と前記バスバーとの間に介在される端子中継部材を有しており、
   前記バスバーは前記モジュール側端子に対面するように配置され、
   前記端子中継部材と前記モジュール側端子と前記バスバーとが、超音波振動により接合されていることを特徴とする半導体装置。
2. 前記パワーモジュールは、樹脂製のモジュールケースに収容され、
   前記端子中継部材は、前記モジュールケースから露出するように一体成形されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記パワーモジュールは、モールディング樹脂によってモールドされ、
   前記端子中継部材は、前記モールディング樹脂から露出するように一体成形されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
4. 前記冷却器は、梯子形状となっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の半導体装置。

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